La combustione catalitica è una tecnologia che permette l’ossidazione di miscele aria-combustibile povere e premiscelate con livelli molto bassi di inquinanti nei gas esausti e una stabilità elevata della fiamma nella regione della combustione in fase omogenea dove in condizioni adiabatiche la temperatura ha un valore inferiore a 1500 °C. Essa fornisce un mezzo molto efficace per ridurre in modo consistente la concentrazione degli ossidi di azoto nei gas combusti poiché generalmente i suoi valori sono inferiori a 10 ppm in volume e consente di migliorare la compatibilità ambientale degli impianti. Il suo impiego è quindi particolarmente indicato nei combustori delle turbine a gas alimentate con gas naturale che vengono utilizzate per la generazione di energia elettrica sia per far fronte alla richiesta della potenza di picco che negli impianti a ciclo combinato dove mediante il ricorso alla combustione sequenziale, si può raggiunge un rendimento del 60% LHV. Per quanto riguarda la maturità industriale della tecnologia della combustione catalitica si può dire che è già stata avviata la commercializzazione di piccoli impianti della taglia di 50 kW, che sono alimentati con benzina, ed è imminente l’ingresso sul mercato di turbine a gas con una potenza compresa tra 1 e 5 MW. Vengono svolte delle considerazioni di carattere generale sulle turbine a gas, ricordando i programmi più significati in fase di sviluppo e richiamando l’attenzione sull’importanza dello sviluppo di nuovi materiali in grado di consentire l’aumento della temperatura di ingresso T c del fluido operativo nel primo stadio, sulla combustione, sulle fiamme premiscelate e sulla produzione termica degli ossidi di azoto durante l’ossidazione di un combustibile. Viene introdotto il concetto di rapporto di equivalenza ϕ che è una grandezza importante per confrontare l’efficienza di combustibili diversi e per definire la tipologia della combustione in relazione al contenuto del combustibile nella miscela gassosa fresca. La combustione viene definita magra quando 1<ϕ , mentre si parla di combustione ricca se 1>ϕ . La combustione stechiometrica corrisponde a 1=ϕ e in linea teorica dovrebbe dar luogo al valore più elevato della temperatura di fiamma, anche se in pratica esso si osserva a 05.1≅ϕ . Per quanto riguarda la formazione termica degli ossidi di azoto, che nel caso dei combustibili gassosi è l’unico meccanismo possibile, viene discusso in modo sintetico lo schema reazionale proposto da Zeldovich per introdurre la dipendenza dalla temperatura della velocità del passo determinante, rappresentato dalla reazione NNOON 2 +↔+ , del processo globale, anche se non è trascurabile l’influenza della concentrazione dell’ossigeno atomico e del tempo di residenza dei reagenti nella zona dove avviene la combustione. All’influenza dei due fattori precedenti occorre aggiungere anche la competizione esistente con l’ossidazione del combustibile che pone dei limiti alla concentrazione locale degli atomi di ossigeno. La dipendenza esponenziale della velocità di formazione di NO da 1/T e il valore elevato dell’energia di

attivazione evidenziano che la cinetica del processo è relativamente lenta quando il valore della temperatura di fiamma è minore di 1500 °C. Sono anche fornite delle indicazioni sommarie sulla modellazione delle emissioni inquinanti perché questo campo è in rapido sviluppo dal momento che l’uso di modelli numerici appropriati consente di ottenere delle informazioni qualitative sul livello degli ossidi di azoto presenti nei gas combusti. Le conoscenze preliminari sulla formazione degli NO x forniscono infatti un valido aiuto alla risoluzione del problema del loro abbattimento. Vengono illustrate alcune esperienze significative nel campo della combustione catalitica del gas naturale descrivendo tre programmi svolti negli USA, in Giappone e in Europa e fornendo le informazioni attualmente disponibili sulla validazione in campo della tecnologia XONON, sviluppata da Catalytica Combustion Systems Inc., effettuata installando un combustore strumentato su una turbina Kawasaki da 1.5 MW che è in esercizio in un impianto della Silicon Valley Power nella municipalità di Santa Clara in California. È stato definito il progetto di massima di un impianto in grado di simulare realisticamente l’esercizio di una turbina a gas e rispondente all’esigenza di verificare la maturità industriale della tecnologia della combustione catalitica con particolare riferimento alle prestazioni e alla durabilità del catalizzatore e di stabilire delle procedure operative per la gestione ottimale dei nuovi impianti. Il progetto è stato sviluppato sulla base delle indicazioni riportate nel rapporto CESI EMICO/GEN02/011 “Indagine sull’applicabilità della combustione catalitica del metano in turbine a gas industriali” del luglio 2000. Il punto di lavoro nominale dell’impianto è caratterizzato dal valore assoluto della pressione di 15 atm e dai valori delle portate dell’aria e del combustibile rispettivamente di 10 e 0.3 Nm 3 min −1 . In queste condizioni risulta 287.0=ϕ e la miscela gassosa è povera di combustibile. La potenza termica, assumendo per il gas naturale un potere calorifico inferiore di 221.4 kcalmol −1 e ipotizzando la combustione completa, è di 207 kW LHV. Se si utilizza metano la potenza termica assume il valore di 179 kW LHV poiché in questo caso il potere calorifico inferiore è uguale a 191.84 kcalmol −1 . I componenti principali dell’infrastruttura sperimentale sono: due compressori per l’aria e il gas naturale, un sistema di desolforazione del gas naturale, un miscelatore statico per omogeneizzare la miscela aria- combustibile, due riscaldatori con resistenze elettriche, il combustore catalitico, un bruciatore tradizionale del gas naturale e uno scambiatore di calore acqua-aria per il raffreddamento dei gas combusti primo del loro rilascio in atmosfera. Il sistema di riscaldamento elettrico principale è stato dimensionato in modo che la temperatura della miscela gassosa alla sua uscita abbia il valore massimo di 500 °C, mentre lo scambiatore di calore assicurerà che il valore della temperatura dei gas esausti prima della loro immissione nell’atmosfera sia intorno a 150 °C. L’impianto comprenderà anche un sistema per la filtrazione e la deumidificazione dell’aria, due serbatoi in pressione per l’aria e il gas naturale, la strumentazione per l’analisi chimica del fluido di processo in diversi punti dell’impianto e le apparecchiature di regolazione e controllo. I serbatoi in pressione assolvono il compito di garantire la stabilità di funzionamento dell’impianto in quanto viene svincolato dal

comportamento dei compressori. La portata del fluido di processo verrà controllata agendo opportunamente sulla valvola di uscita.